(57)【要約】【課題】風力発電設備の後方における乱流の決定を単純化して結果としてウインドファームの制御を改良する。【解決手段】本発明は、ローターのスラスト力（２２０）を求めるための、風力発電設備（１００）の測定設備、に関する。測定装置は、第１の高さにおけるタワー（１１２）の第１の曲げモーメントと、第１の高さとは異なる第２の高さにおけるタワー（１１４）の第２の曲げモーメントとを検出する。この場合、第１の曲げモーメントおよび第２の曲げモーメントそれぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される。スラスト力決定ユニットは、自然モーメント成分およびピッチングモーメント成分が相殺されてなくなるように、少なくとも第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとの比較に基づいてローター（１０６）のスラスト力（２２０）を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー（１０２）と、少なくとも１枚のローターブレード（１０８）を有する空力ローター（１０６）とを有する風力発電設備（１００）の、前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を求める測定設備であって、
−  第１の高さ（Ｈ１）における前記タワー（１０２）の第１の曲げモーメント（Ｂ１）と、前記第１の高さ（Ｈ１）とは異なる第２の高さ（Ｈ２）における前記タワー（１０２）の第２の曲げモーメント（Ｂ２）とを検出する測定装置であって、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）それぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される、前記測定装置と、
−  少なくとも前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）の比較に基づいて求められる第１の比較値（Ｖ１）に基づいてスラスト力（２２０）を求めるスラスト力決定ユニットであって、前記第１の比較値（Ｖ１）が、前記自然モーメント成分および前記ピッチングモーメント成分とは独立している、前記スラスト力決定ユニットと、
を備えている、測定設備。
【請求項２】
前記測定装置が、前記第１の高さ（Ｈ１）における前記タワー（１０２）の前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）を検出する第１のセンサ（１１２）と、前記第１の高さ（Ｈ１）とは異なる前記第２の高さ（Ｈ２）における前記タワー（１０２）の前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）を検出する第２のセンサ（１１４）と、を有する、請求項１に記載の測定設備。
【請求項３】
前記第１のセンサ（１１２）が前記風力発電設備（１００）のナセル（１０４）のすぐ下に配置されており、かつ前記第２のセンサ（１１４）が前記風力発電設備（１００）の最下部の近くに配置されている、請求項２に記載の測定設備。
【請求項４】
前記センサ（１１２，１１４）が、歪みゲージ、特に、歪みゲージフルブリッジを有する、請求項２または請求項３に記載の測定設備。
【請求項５】
前記スラスト力決定ユニットが、前記第１の比較値（Ｖ１）として、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）と前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）との差を求めるように設計されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の測定設備。
【請求項６】
前記スラスト力決定ユニットが、前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を、前記第１の比較値（Ｖ１）と、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の高低差とに基づいて、特に、前記第１の比較値（Ｖ１）と前記高低差の比として、求めるように設計されている、請求項５に記載の測定設備。
【請求項７】
前記測定装置が、第３の高さ（Ｈ３）における前記タワー（１０２）の第３の曲げモーメント（Ｂ３）を検出する少なくとも第３のセンサ（１１６）を有し、前記第３の高さ（Ｈ３）が、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の間、特に中間に位置する、請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の測定設備。
【請求項８】
前記スラスト力決定ユニットが、少なくとも第２の比較値（Ｖ２）および前記第３の比較値（Ｖ３）を求めるように設計されており、前記第２の比較値（Ｖ２）が、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第３の曲げモーメント（Ｂ３）の差として形成され、前記第３の比較値が、前記第３の曲げモーメント（Ｂ３）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）の差として形成される、請求項７に記載の測定設備。
【請求項９】
前記スラスト力決定ユニットが、第１のスラスト値を、前記第１の比較値と、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の高低差とに基づいて求め、第２のスラスト値を、前記第２の比較値（Ｖ２）と、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第３の高さ（Ｈ３）の高低差とに基づいて求め、第３のスラスト値を、前記第３の比較値（Ｖ３）と、前記第３の高さ（Ｈ３）および前記第２の高さ（Ｈ２）の高低差とに基づいて求めるように、設計されている、請求項８に記載の測定設備。
【請求項１０】
前記スラスト力決定ユニットが、前記ローターの前記スラスト力（２２０）を、前記第１のスラスト力、前記第２のスラスト力、および前記第３のスラスト力のうちの少なくとも２つの平均値として求めるように設計されている、または、前記スラスト力決定ユニットが、前記ローターの前記スラスト力（２２０）を、前記第１のスラスト力、前記第２のスラスト力、および前記第３のスラスト力の重み付き合成として求めるように設計されており、前記合成の重みが、前記第１のスラスト力、前記第２のスラスト力、および前記第３のスラスト力の精度の測度に基づく、請求項９に記載の測定設備。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の測定設備を有する風力発電設備（１００）であって、求められた前記スラスト力（２２０）に応じて運転されるように設計されている、風力発電設備（１００）。
【請求項１２】
発電するウインドファームであって、前記ウインドファームが、
−  請求項１１に記載の少なくとも１基の風力発電設備（１００）と、
−  少なくとも１基の風力発電設備（１００）の乱流を、前記風力発電設備（１００）の前記ローター（１０６）の前記スラスト力（２２０）に基づいて求める乱流決定ユニットと、
−  前記ウインドファームの別の風力発電設備に対する、前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の前記乱流の影響が減少するように、前記ウインドファームの前記風力発電設備（１００）を制御する、特に、前記ウインドファームの前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の出力を低下させる、ウインドファーム制御ユニットと、
を有する、ウインドファーム。
【請求項１３】
タワー（１０２）と、少なくとも１枚のローターブレード（１０８）を有する空力ローター（１０６）とを有する風力発電設備（１００）の前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を求める方法であって、
−  第１の高さ（Ｈ１）における前記タワー（１０２）の第１の曲げモーメント（Ｂ１）と、前記第１の高さ（Ｈ１）とは異なる第２の高さ（Ｈ２）における前記タワー（１０２）の第２の曲げモーメント（Ｂ２）とを検出するステップであって、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）それぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される、ステップと、
−  少なくとも前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）の比較に基づいて求められる第１の比較値（Ｖ１）に基づいてスラスト力（２２０）を求めるステップであって、前記第１の比較値（Ｖ１）が、前記自然モーメント成分および前記ピッチングモーメント成分とは独立している、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の測定設備を有する風力発電設備（１００）を運転する方法であって、前記風力発電設備（１００）が、請求項１３に記載されている方法により求められた前記スラスト力（２２０）に応じて運転される、方法。
【請求項１５】
ウインドファームを運転する方法であって、前記方法が、以下のステップ、すなわち、
−  少なくとも１基の風力発電設備（１００）の乱流を、前記風力発電設備（１００）のローター（１０６）のスラスト力（２２０）に基づいて求めるステップと、
−  前記ウインドファームの別の風力発電設備に対する、前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の前記乱流の影響が減少するように、前記ウインドファームの前記風力発電設備を制御する、特に、前記ウインドファームの前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の出力を低下させる、ステップと、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローターのスラスト力を求める、風力発電設備の測定設備と、本測定設備を有する風力発電設備と、ローターのスラスト力を求める方法と、風力発電設備を運転する方法と、に関する。さらに、本発明は、ウインドファームと、ウインドファームを運転する方法を含む。
【背景技術】
【０００２】
風力発電設備（風の運動エネルギから電気エネルギを生成し、それを電力供給網に送り込む）は、一般的に公知である。最近では、このような風力発電設備は、通常ではウインドファーム（すなわち限られた領域内の風力発電設備の集まり）の形で運転される。
【０００３】
このようなウインドファームの計画および運転時には、ウインドファームの個々の風力発電設備が互いにどのように影響するかを考慮しなければならない。特に後方（すなわち風力発電設備のローターの下流）には、強い乱流が形成されることがある。上流の風力発電設備のこれらの乱流内にちょうど位置する風力発電設備は、これらの乱流によって、エネルギ生成量が減少するほどの、場合によっては風力発電設備が損傷するほどの影響を受けることがある。
【０００４】
この理由のため、ウインドファームの計画時には、個々の風力発電設備それぞれの後方における乱流が、個々の風力発電設備の間の距離を設定するときの制限要因として含まれる。さまざまな風向きの場合の個々の風力発電設備の下流の乱流を、シミュレーションを利用してシミュレートした後、特定の位置における卓越風向（prevailing wind direction）を考慮しながら、かつ安全性の余裕を加えて、風力発電設備の間の最小距離を求める。この場合、風力発電設備間の距離は、安全性の理由から、ウインドファームの運転時間の大部分において必要であるよりも大きく選択しなければならない。この結果として、表面積あたり建設することのできる風力発電設備の数が大幅に減少し、ウインドファーム（通常では限られた領域のみが利用可能である）は、その出力が大きく制限される。もう１つの問題として、そのような方策にもかかわらず、極端な気象条件の場合、あるいは例えば意図したように卓越風向から風が来ないときには、風力発電設備の後方における乱流の問題が起こり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって本発明は、上述した問題点の少なくとも１つに対処するという目的に基づく。特に、本発明の目的は、従来技術を改良し、風力発電設備の後方における乱流の決定を単純化して結果としてウインドファームの制御を改良することを可能にする解決策を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、本発明によれば、タワーと、少なくとも１枚のローターブレードを有する空力ローターとを有する風力発電設備の、ローターのスラスト力を求める測定設備であって、
−  第１の高さにおけるタワーの第１の曲げモーメントと、第１の高さとは異なる第２の高さにおけるタワーの第２の曲げモーメントとを検出する測定装置であって、第１の曲げモーメントおよび第２の曲げモーメントそれぞれが、自然モーメント成分（natural moment component）と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される、測定装置と、
−  少なくとも第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとの比較に基づいて求められる第１の比較値に基づいてスラスト力を求めるスラスト力決定ユニットであって、第１の比較値が、自然モーメント成分およびピッチングモーメント成分とは独立している、スラスト力決定ユニットと、
を備えている、測定設備、によって達成される。
【０００７】
測定装置が、異なる高さにおける風力発電設備のタワーの第１の曲げモーメントおよび第２の曲げモーメントを検出し、第１の曲げモーメントおよび第２の曲げモーメントそれぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力成分とから構成されている効果として、スラスト力決定ユニットが、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの差である第１の比較値に基づいてスラスト力を求めることが可能になる（第１の比較値は、自然モーメント成分およびピッチングモーメント成分とは独立している）。したがって好ましくは、比較値における自然モーメント成分およびピッチングモーメント成分の寄与分は、釣り合う、または相殺されてなくなる。ローターのスラスト力は後方における乱流に直接関連することが知られているため、スラスト力は、風力発電設備によって形成される乱流を評価するための直接的なパラメータを提供する。風力発電設備の運転中にスラスト力決定ユニットによってスラスト力をリアルタイムで求めることによって、結果として各時点において風力発電設備によって形成される後方における乱流を求めることができ、したがって各時点における乱流が制限されるように風力発電設備を制御することが可能になる。
【０００８】
自然モーメント成分が生じるのは、ナセルの重心がタワーの垂直中心軸線上に位置していない（すなわちナセルの重心とタワーの中心軸線との間に正の水平距離が存在する）ためである。自然モーメント成分は、ナセルに作用する重量の力と、ナセルの重心とタワーの中心軸線の間の距離とに依存する。自然モーメント成分は、タワーの高さ全体にわたり一定に作用する。
【０００９】
ピッチングモーメント成分は、異なる高さにおいてローターブレードに作用する風の圧縮力に起因して生じる。この不均衡によってトルクが生じ、このトルクがローターにも作用し、ローターを介してタワーに伝わる。ピッチングモーメント成分も、タワーの高さ全体にわたり一定に作用する。スラスト力モーメント成分は、ローターに作用するスラスト力によって生じ、風力発電設備のタワーの高さに依存する。
【００１０】
さらに、測定装置が、第１の高さにおけるタワーの第１の曲げモーメントを検出する第１のセンサと、第１の高さとは異なる第２の高さにおけるタワーの第２の曲げモーメントを検出する第２のセンサとを有することを提案する。
【００１１】
測定装置が、第１の高さにおける第１のセンサと、第２の高さにおける第２のセンサとを有するように設計されているため、それぞれの高さにおける曲げモーメントをタワーにおいて直接測定することができる。これにより、測定の精度と、したがって測定値からスラスト力を求めるときの精度とが、著しく向上する。
【００１２】
さらに、第１のセンサが風力発電設備のナセルのすぐ下に配置されており、かつ第２のセンサが風力発電設備の最下部の近くに配置されていることを提案する。
【００１３】
第１のセンサが風力発電設備のナセルのすぐ下に配置されており、かつ第２のセンサが風力発電設備の最下部の近くに配置されていることは、２つのセンサの間の最大距離、したがって高さの最大差が達成されることを意味する。タワーにおけるセンサ間の距離が大きいほど、測定される第１の曲げモーメントと、測定される第２の曲げモーメントの差も大きく、したがってこれら第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの比較から第１の比較値を特に正確に求めることができる。結果として、スラスト力を求めるときの精度も同様に高めることができる。「すぐ」とは、この文脈においては、センサがナセルまたは最下部のできる限り近くに（特に１ｍ〜５ｍ未満の距離に）設けられていることを意味する。
【００１４】
さらに、センサが歪みゲージ、特に、歪みゲージフルブリッジ（full strain gauge bridge）を有することを提案する。歪みゲージ、特に、歪みゲージフルブリッジは、風力発電設備のタワーの曲げモーメントを効率的かつ高い費用効果で求めるために特に適している。
【００１５】
さらに、スラスト力決定ユニットが、第１の比較値として、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの差を求めることを提案する。
【００１６】
第１の比較値が、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの差として求められることは、第１の比較値における自然モーメント成分とピッチングモーメント成分が相殺されてなくなり、第１の比較値に残るすべての成分がスラスト力成分の要素であることを意味する。したがって第１の比較値は、風力発電設備のスラスト力成分を示す。
【００１７】
さらに、スラスト力決定ユニットが、ローターのスラスト力を、第１の比較値と、第１の高さと第２の高さの高低差とに基づいて、特に、第１の比較値と高低差の比として、求めることを提案する。
【００１８】
第１の比較値と、第１の曲げモーメントおよび第２の曲げモーメントが求められる第１の高さおよび第２の高さの高低差との比を求めることによって、ローターのスラスト力を直接求めることができる。
【００１９】
さらに、測定装置が、第３の高さにおけるタワーの第３の曲げモーメントを検出する少なくとも第３のセンサを有し、第３の高さが、第１の高さと第２の高さとの間に（特に中間に）位置することを提案する。
【００２０】
測定装置が、第１の高さと第２の高さの間の第３の高さにおける第３の曲げモーメントを検出する第３のセンサを有することは、第１の高さにおけるセンサおよび第２の高さにおけるセンサの一方が故障した場合に、ローターのスラスト力を求めることが可能であるように確保できることを意味する。これにより、風力発電設備を運転するときの安全性が高まり、たとえセンサの一方が故障したときにも風力発電設備が運転を続けることが可能になる。
【００２１】
さらに、スラスト力決定ユニットが、第１のスラスト力を、第１の比較値と、第１の高さと第２の高さの高低差とに基づいて求め、第２のスラスト力を、第２の比較値と、第１の高さと第３の高さの高低差とに基づいて求め、第３のスラスト力を、第３の比較値と、第３の高さと第２の高さの高低差とに基づいて求めるように、設計されていることを提案する。
【００２２】
第２の比較値が、第１の曲げモーメントと第３の曲げモーメントの差から形成され、第３の比較値が、第３の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの差から形成されることの効果として、第１の比較値と、第２の比較値と、第３の比較値とを比較することによって、曲げモーメントを求めるときの精度を求めることが可能になる。したがって例えば、第３のセンサが第１のセンサと第２のセンサの間の中間に配置されている場合、第２の比較値と第３の比較値はできる限り同じであるはずである。所定の関係において、特定の許容限界を上回る逸脱が求められる場合、そのことは、関与するセンサのうちの少なくとも１つが正しくない測定値を提供したことを示しており、測定を繰り返したときに結果が改善されない場合、そのセンサは故障している可能性がある。このようにして、センサの１つが故障しているかを都合のよいときに検出することができ、その故障を風力発電設備のオペレータに報告することができる。
【００２３】
さらに、スラスト力決定ユニットが、少なくとも第２の比較値および第３の比較値を求めるように設計されており、第２の比較値が、第１の曲げモーメントと第３の曲げモーメントの差として形成され、第３の比較値が、第３の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの差として形成される、ことを提案する。
【００２４】
第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力が、好ましくは第１の比較値、第２の比較値、第３の比較値と、それぞれの高低差とに基づいて求められる効果として、求められたスラスト力を比較することが可能になる。この場合、センサが故障していない、あるいはセンサの正しくない測定値が存在していなければ、３つのすべてのスラスト力が、事前定義される同程度の範囲内にあるはずである。さらには、スラスト力の測定の精度を高めるために３つのスラスト力を使用することができ、特に、第１〜第３のスラスト力の平均値を形成する。
【００２５】
さらに、スラスト力決定ユニットが、ローターのスラスト力を、第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力のうちの少なくとも２つの平均値として求めるように設計されている、または、スラスト力決定ユニットが、ローターのスラスト力を、第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力の重み付き合成（weighted combination）として求めるように設計されており、合成の重みが、第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力の精度の測度に基づく、ことを提案する。
【００２６】
ローターのスラスト力が、第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力の重み付き合成から求められ、合成の重みが、第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力の精度の測度に基づくことは、求められるローターのスラスト力の精度をさらに高めることができることを意味する。特に、スラスト力の値は、センサの高低差が大きいほど、より正確であり、すなわち、第１〜第３のスラスト力を合成するための重みを、特に、関与する各センサの高低差に応じて選択することができる。さらには、重みが、それぞれのセンサの測定精度の情報を含むこともできる。これにより、ローターのスラスト力を高い精度で求めることが可能になる。
【００２７】
さらに、本発明によれば、上述した測定設備を有する風力発電設備であって、求められたスラスト力に応じて運転されるように設計されている風力発電設備、を提案する。
【００２８】
さらに、本発明によれば、発電するウインドファームであって、
−  上述した測定設備を有する少なくとも１基の風力発電設備と、
−  少なくとも１基の風力発電設備の乱流を、風力発電設備のローターのスラスト力に基づいて求める乱流決定ユニットと、
−  ウインドファームの別の風力発電設備に対する、少なくとも１基の風力発電設備の乱流の影響が減少するように、ウインドファームの少なくとも１基の風力発電設備を制御する、特に、ウインドファームの少なくとも１基の風力発電設備の出力を低下させる、ウインドファーム制御ユニットと、
を有する、ウインドファーム、を提案する。
【００２９】
風力発電設備の後方における乱流の影響が減少するように、ウインドファーム制御ユニットが、ウインドファームの風力発電設備の出力を、各風力発電設備のローターの求められたスラスト力に基づいて制御する効果として、ウインドファームに単位面積あたりより多数の風力発電設備を統合することが可能になり、したがって、風力発電設備の運転の安全性を低下させることなく、単位面積あたりのウインドファームの合計出力を増大させることができる。一方で、たとえシミュレーションによって予測されない状況においても、各風力発電設備の後方における乱流の値を個別に制御できることによって、ウインドファームの運転中の安全性が高まる。
【００３０】
さらに、本発明によれば、タワーと、少なくとも１枚のローターブレードを有する空力ローターとを有する風力発電設備のローターのスラスト力を求める方法であって、
−  第１の高さにおけるタワーの第１の曲げモーメントと、第１の高さとは異なる第２の高さにおけるタワーの第２の曲げモーメントとを検出するステップであって、第１の曲げモーメントおよび第２の曲げモーメントそれぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される、ステップと、
−  少なくとも第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントの比較に基づいて求められる第１の比較値に基づいてスラスト力を求めるステップであって、第１の比較値が、自然モーメント成分およびピッチングモーメント成分とは独立している、ステップと、
を含む、方法、を提案する。
【００３１】
本測定設備の上述した実施形態のうちの少なくとも１つの説明によって示されるように、本方法を動作させることを提案する。
【００３２】
さらに、本発明によれば、風力発電設備を運転する方法であって、風力発電設備が、上に説明した実施形態の１つに係る測定設備を有し、かつ、風力発電設備が、求められたスラスト力に応じて運転される、方法、を提案する。
【００３３】
さらに、本発明によれば、ウインドファームを運転する方法であって、本方法が以下のステップ、すなわち、
−  少なくとも１基の風力発電設備の乱流を、風力発電設備のローターのスラスト力に基づいて求めるステップと、
−  ウインドファームの別の風力発電設備に対する、少なくとも１基の風力発電設備の乱流の影響が減少するように、ウインドファームの風力発電設備を制御する、特に、ウインドファームの少なくとも１基の風力発電設備の出力を低下させる、ステップと、
を有する、方法、を提案する。
【００３４】
なお、請求項１に記載の測定設備と、請求項１１に記載の風力発電設備と、請求項１２に記載のウインドファームと、請求項１３，１４，または１５に記載の方法は、類似する好ましい実施形態、および／または、同一の好ましい実施形態（これらは特に従属請求項に定義されている）、を有することを理解されたい。
【００３５】
以下では、本発明について、添付の図面を参照しながら例示的な実施形態に基づいて一例としてさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本測定設備を有する風力発電設備の概略図を示している。
【図２】風力発電設備に作用する曲げモーメントの構成成分の概略図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、タワー１０２およびナセル１０４を有する風力発電設備１００を示している。ナセル１０４には、ローターブレード１０８を有する空力ローター１０６およびスピナー１１０が配置されている。運転時、ローター１０６が風によって回転運動し、これにより、ナセル１０４の中の発電機を駆動する。
【００３８】
風力発電設備１００のタワー１０２にはさらに測定装置が配置されており、この測定装置は、第１のセンサ１１２と、第２のセンサ１１４と、第３のセンサ１１６とを有する。第１のセンサ１１２、第２のセンサ１１４、および第３のセンサ１１６のそれぞれは、それぞれの高さにおける風力発電設備１００のタワー１０２の曲げモーメントを求めるように設計されている。
【００３９】
この例示的な実施形態においては、第１のセンサ１１２、第２のセンサ１１４、および第３のセンサ１１６それぞれは、少なくとも２つの歪みゲージフルブリッジによって形成されている。この場合、歪みゲージフルブリッジは、細い抵抗線を有する測定グリッド箔（measuring grid foil）がタワー１０２の表面に貼り付けられるように構成されており、ホイートストンブリッジ回路（Wheatstone bridge circuit）（特に、この実施形態ではフルブリッジ）によって、抵抗線の長さの変化を、抵抗線の抵抗の変化として測定することが可能である。このような歪み測定センサによって、支持構造（すなわち本明細書では風力発電設備１００のタワー１０２）の極めて小さい変化（特に曲がり）さえも、高い精度で求めることが可能になる。
【００４０】
図２は、風力発電設備１００のタワー１０２の求められる曲げモーメントを、どの成分が構成しているかを概略的に示している。ナセル１０４の質量は重量の力２０２を生み出し、この力２０２はナセル１０４の重心２０１に作用する。ローターブレード１０８の重量によって重心がローター１０６の方向に移動するため、ナセル１０４の重心２０１は、一般には水平方向においてタワー１０２の垂直中心軸線１２０の外側に位置する。結果として、ナセル１０４の質量によって、風力発電設備１００のタワー１０２に対する自然モーメントが生じる。この自然モーメントは、ナセル１０４に作用する重量の力２０２と、ナセル１０４の重心２０１とタワー１０２の中心軸線１２０の間の距離２０３とから求められる。自然モーメントについては次式が得られる。
Ｍｎａｔ＝Ｆｇ×ｌ２
【００４１】
式中、Ｍｎａｔはナセル１０４の自然モーメント、Ｆｇはナセル１０４に作用する重量の力２０２、ｌ２は、ナセル１０４の重心２０１とタワー１０２の中心軸線１２０との間の距離２０３である。なお、ナセル１０４の自然モーメントは、タワー１０２の高さＨ全体にわたり一定に作用していることを考慮するべきである。
【００４２】
風力発電設備１００のタワー１０２には、ピッチングモーメント２１０も作用する。ピッチングモーメント２１０は、風が通り抜けるローター領域内の異なる風速によって生じる。風速は、一般には、描写したローター領域の全体にわたり下から上に向かって大きくなり、すなわちナセル１０４より上に位置するローターブレード１０８は、ナセル１０４の下であるローターブレード１０８より高い風速を受ける。結果としてローターブレード１０８において発生する力によってピッチングモーメント２１０が生じ、ピッチングモーメント２１０の負荷も、同様にタワー１０２の高さＨ全体にわたり同じままである。
【００４３】
さらにスラスト力２２０も、風の方向においてローター１０６に作用し、スラスト力２２０はローター１０６の重心２０１に直接かかる。この結果として、スラスト力２２０は、てことしてのタワー１０２を介してタワー１０２に曲げモーメントをかける。スラスト力の曲げモーメントは、特に、タワー１０２の高さＨに依存し、したがって次の法則に従う。
Ｍｔｈｒｕｓｔ＝Ｆｔｈｒｕｓｔ×Ｈ
【００４４】
式中、Ｆｔｈｒｕｓｔはスラスト力２２０、Ｍｔｈｒｕｓｔはスラスト力２２０に基づく曲げモーメント、Ｈは風力発電設備１００のタワー１０２の高さである。
【００４５】
略図３００は、風力発電設備１００の高さに伴う曲げモーメントの値をもう一度概略的に示している。この場合、曲げモーメントがｘ軸にプロットされており、風力発電設備の高さがｙ軸にプロットされている。曲げモーメントの概略的な変化（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）から理解できるように、各高さにおける曲げモーメントは、３つのモーメント成分（具体的には、自然モーメント成分３０１、ピッチングモーメント成分３０２、およびスラスト力モーメント成分３０３）から構成されている。自然モーメント成分３０１とピッチングモーメント成分３０２は、上に説明したようにタワー１０２の高さＨ全体にわたり一定であるため、スラスト力モーメント成分３０３のみが変化を示し、この変化はタワー１０２の高さＨに依存し、特に、タワー１０２の高さＨに比例する。したがってこのことから、高さＨ１における曲げモーメントから高さＨ２における曲げモーメントを差し引くとき、自然モーメント成分３０１およびピッチングモーメント成分３０２（これらは高さ全体にわたり一定であり、したがって両方の曲げモーメントにおいて等しい）が相殺されてなくなる。残るのはスラスト力モーメント成分３０３の要素である。
【００４６】
スラスト力モーメント成分３０３はタワー１０２の高さＨに正比例するため、一般的には、次式、
Ｆｔｈｒｕｓｔ＝（Ｂ１−Ｂ２）／（Ｈ１−Ｈ２）
によって、ローター１０６に作用するスラスト力２２０を計算することが可能である。式中、Ｂ１は第１の曲げモーメント、Ｂ２は第２の曲げモーメント、Ｈ１は第１の曲げモーメントの第１の高さ、Ｈ２は第２の曲げモーメントの第２の高さである。
【００４７】
したがって、風力発電設備１００のタワー１０２に作用する曲げモーメントの構成成分に関する上の発見に基づき、少なくとも２つの高さＨ１，Ｈ２における曲げモーメントを測定することによって、ローター１０６に作用するスラスト力２２０を求めることが可能である。
【００４８】
本明細書に示した実施形態においては、曲げモーメントは、第１の高さＨ１における第１のセンサ１１２と、第２の高さＨ２における第２のセンサ１１４と、第３の高さＨ３における第３のセンサ１１６とによって求められる。
Ｖ１＝Ｂ２−Ｂ１
したがって、上式によって、第１の比較値Ｖ１を求めることが可能であり、式中、Ｖ１は第１の比較値、Ｂ１は第１のセンサ１１２によって測定される第１の曲げモーメント、Ｂ２は第２のセンサ１１４によって測定される第２の曲げモーメントである。
Ｖ２＝Ｂ３−Ｂ１
Ｖ３＝Ｂ２−Ｂ３
【００４９】
さらに、上式によって、第２の比較値および第３の比較値を求めることが可能であり、上式中、Ｖ２は第２の比較値、Ｖ３は第３の比較値、Ｂ３は第３のセンサ１１６によって測定される曲げモーメントである。
【００５０】
略図３００から明らかになり、かつ上に説明してきたように、３つの比較値は、いずれもスラスト力モーメント成分３０３の要素のみを含む。さらに略図３００から、スラスト力成分３０３は高さとともに一定に減少していくことを理解することができる。したがってこのことから、曲げモーメントが正しく測定されている場合、第２の比較値と第３の比較値は等しく、Ｖ２＝Ｖ３のはずである。この例示的な実施形態においては、第３のセンサ１１６が第１のセンサ１１２と第２のセンサ１１４の間の中間に設けられているため、第２の比較値および第３の比較値は第１の比較値の正確に半分でもある。風力発電設備の運転中、計算された比較値がこれら上述した条件からあまりに大きく逸脱している場合、そのことは、センサのうちの少なくとも１つの機能が故障していることを示している。特に、センサがその範囲内では正しく機能していることが保証される安全幅を決めておくことができる。
【００５１】
上に説明したように、ローター１０６の第１のスラスト力、第２のスラスト力、および第３のスラスト力は、
Ｆｔｈｒｕｓｔ１＝Ｖ１／（Ｈ１−Ｈ２）
Ｆｔｈｒｕｓｔ２＝Ｖ２／（Ｈ２−Ｈ３）
Ｆｔｈｒｕｓｔ３＝Ｖ３／（Ｈ１−Ｈ３）
によって計算することができ、式中、Ｈ１は第１のセンサ１１２が曲げモーメントを測定する高さ、Ｈ２は第２のセンサ１１４が曲げモーメントを測定する高さ、Ｈ３は第３のセンサ１１６が曲げモーメントを測定する高さである。
【００５２】
したがって測定精度を考慮すると、計算される３つのスラスト力すべてが等しいはずである。さまざまなセンサの測定精度を考慮に入れながらローター１０６のスラスト力２２０を求めるため、上の計算された３つのスラスト力を、次式において使用することができる。
【数１】
2019527794.tif 000003
【００５３】
式中、ｉは、この例示的な実施形態では１〜３であり、Ｗｉは、それぞれの測定値の精度を再現する重みである。さらに、重みＷｉに関して、すべての重みの和は１に一致する。重みＷｉは、例えば、スラスト力のそれぞれの計算に入力される高低差に応じたものとすることができる。この場合、大きい高低差は、小さい高低差よりもスラスト力の計算の精度が高いことを示す。さらに、重みＷｉは、個々の高さにおいて使用されるセンサの既知の測定精度に関する情報を含むことができる。上述したこの方法では、ローター１０６に作用するスラスト力２２０を特に正確に求めることが可能である。
【００５４】
これにより、ローター１０６の後方における乱流を、ローター１０６の求められたスラスト力２２０に基づいて求めることが可能になる。特に、ローター１０６のスラスト係数を、測定されたスラスト力２２０から求めることができる。この場合、スラスト係数の値が大きいほど、回転するローター１０６によって後方においてより多くの乱流が発生する。
【００５５】
この直接的な関係の結果として、風力発電設備１００をスラスト力２２０またはスラスト力係数に基づいて制御することにより、ローター１０６によって後方に発生する乱流の直接的な制御がもたらされる。
【００５６】
風力発電設備１００がウインドファーム内である場合、ウインドファームの別の風力発電設備が一定以上に影響を受けないように、スラスト力２２０の決定に基づいて乱流が低減されるように風力発電設備１００を運転することができる。特に、臨界スラスト力が存在するときには、風力発電設備１００を出力低減モードで運転することができる。これにより、計画段階において、安全性を低下させることなく単位面積あたりより多くの風力発電設備をウインドファーム統合することが可能になり、それと同時にエネルギ生産量が増大する。
【００５７】
上述した実施形態においては、本測定設備は、３つのセンサを備えている。しかしながら本発明に係る別の実施形態においては、本測定設備は、２つのセンサ、または４つ以上のセンサを有することができる。
【００５８】
上述した実施形態においては、センサとして歪みゲージフルブリッジが使用されている。しかしながら別の実施形態においては、風力発電設備のタワーの曲げモーメントを求めるように設計されている別のセンサ（例えば光学的歪みセンサ）を使用することもできる。
【図１】
2019527794.tif 000004
【図２】
2019527794.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月22日(2019.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワー（１０２）と、少なくとも１枚のローターブレード（１０８）を有する空力ローター（１０６）とを有する風力発電設備（１００）の、前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を求める測定設備であって、
−  第１の高さ（Ｈ１）における前記タワー（１０２）の第１の曲げモーメント（Ｂ１）と、前記第１の高さ（Ｈ１）とは異なる第２の高さ（Ｈ２）における前記タワー（１０２）の第２の曲げモーメント（Ｂ２）とを検出する測定装置であって、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）それぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される、前記測定装置と、
−  少なくとも前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）の比較に基づいて求められる第１の比較値（Ｖ１）に基づいてスラスト力（２２０）を求めるスラスト力決定ユニットであって、前記第１の比較値（Ｖ１）が、前記自然モーメント成分および前記ピッチングモーメント成分とは独立している、前記スラスト力決定ユニットと、
を備えている、測定設備。
【請求項２】
前記測定装置が、前記第１の高さ（Ｈ１）における前記タワー（１０２）の前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）を検出する第１のセンサ（１１２）と、前記第１の高さ（Ｈ１）とは異なる前記第２の高さ（Ｈ２）における前記タワー（１０２）の前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）を検出する第２のセンサ（１１４）と、を有する、請求項１に記載の測定設備。
【請求項３】
前記第１のセンサ（１１２）が前記風力発電設備（１００）のナセル（１０４）のすぐ下に配置されており、かつ前記第２のセンサ（１１４）が前記風力発電設備（１００）の最下部の近くに配置されている、請求項２に記載の測定設備。
【請求項４】
前記センサ（１１２，１１４）が、歪みゲージを有する、請求項２または請求項３に記載の測定設備。
【請求項５】
前記歪みゲージが、歪みゲージフルブリッジである、請求項４に記載の測定設備。
【請求項６】
前記スラスト力決定ユニットが、前記第１の比較値（Ｖ１）として、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）と前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）との差を求めるように設計されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の測定設備。
【請求項７】
前記スラスト力決定ユニットが、前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を、前記第１の比較値（Ｖ１）と、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の高低差とに基づいて求めるように設計されている、請求項６に記載の測定設備。
【請求項８】
前記スラスト力決定ユニットが、前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を、前記第１の比較値（Ｖ１）と前記高低差の比に基づいて求めるように設計されている、請求項７に記載の測定設備。
【請求項９】
前記測定装置が、第３の高さ（Ｈ３）における前記タワー（１０２）の第３の曲げモーメント（Ｂ３）を検出する少なくとも第３のセンサ（１１６）を有し、前記第３の高さ（Ｈ３）が、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の間に位置する、請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の測定設備。
【請求項１０】
前記第３の高さ（Ｈ３）が、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の中間の高さである、請求項９に記載の測定設備。
【請求項１１】
前記スラスト力決定ユニットが、少なくとも第２の比較値（Ｖ２）および前記第３の比較値（Ｖ３）を求めるように設計されており、前記第２の比較値（Ｖ２）が、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第３の曲げモーメント（Ｂ３）の差として形成され、前記第３の比較値が、前記第３の曲げモーメント（Ｂ３）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）の差として形成される、請求項９又は１０に記載の測定設備。
【請求項１２】
前記スラスト力決定ユニットが、第１のスラスト力を、前記第１の比較値と、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第２の高さ（Ｈ２）の高低差とに基づいて求め、第２のスラスト力を、前記第２の比較値（Ｖ２）と、前記第１の高さ（Ｈ１）および前記第３の高さ（Ｈ３）の高低差とに基づいて求め、第３のスラスト力を、前記第３の比較値（Ｖ３）と、前記第３の高さ（Ｈ３）および前記第２の高さ（Ｈ２）の高低差とに基づいて求めるように、設計されている、請求項１１に記載の測定設備。
【請求項１３】
前記スラスト力決定ユニットが、前記ローターの前記スラスト力（２２０）を、前記第１のスラスト力、前記第２のスラスト力、および前記第３のスラスト力のうちの少なくとも２つの平均値として求めるように設計されている、または、前記スラスト力決定ユニットが、前記ローターの前記スラスト力（２２０）を、前記第１のスラスト力、前記第２のスラスト力、および前記第３のスラスト力の重み付き合成として求めるように設計されており、前記合成の重みが、前記第１のスラスト力、前記第２のスラスト力、および前記第３のスラスト力の精度の測度に基づく、請求項１２に記載の測定設備。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の測定設備を有する風力発電設備（１００）であって、求められた前記スラスト力（２２０）に応じて運転されるように設計されている、風力発電設備（１００）。
【請求項１５】
発電するウインドファームであって、前記ウインドファームが、
−  請求項１４に記載の少なくとも１基の風力発電設備（１００）と、
−  少なくとも１基の風力発電設備（１００）の乱流を、前記風力発電設備（１００）の前記ローター（１０６）の前記スラスト力（２２０）に基づいて求める乱流決定ユニットと、
−  前記ウインドファームの別の風力発電設備に対する、前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の前記乱流の影響が減少するように、前記ウインドファームの前記風力発電設備（１００）を制御するウインドファーム制御ユニットと、
を有する、ウインドファーム。
【請求項１６】
前記ウインドファーム制御ユニットは、前記ウインドファームの別の風力発電設備に対する、前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の前記乱流の影響が減少するように、前記ウインドファームの前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の出力を低下させる、ウインドファーム制御ユニットと、
を有する、請求項１５に記載のウインドファーム。
【請求項１７】
タワー（１０２）と、少なくとも１枚のローターブレード（１０８）を有する空力ローター（１０６）とを有する風力発電設備（１００）の前記ローター（１０６）のスラスト力（２２０）を求める方法であって、
−  第１の高さ（Ｈ１）における前記タワー（１０２）の第１の曲げモーメント（Ｂ１）と、前記第１の高さ（Ｈ１）とは異なる第２の高さ（Ｈ２）における前記タワー（１０２）の第２の曲げモーメント（Ｂ２）とを検出するステップであって、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）それぞれが、自然モーメント成分と、ピッチングモーメント成分と、スラスト力モーメント成分とから構成される、ステップと、
−  少なくとも前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）および前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）の比較に基づいて求められる第１の比較値（Ｖ１）に基づいてスラスト力（２２０）を求めるステップであって、前記第１の比較値（Ｖ１）が、前記自然モーメント成分および前記ピッチングモーメント成分とは独立している、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の測定設備を有する風力発電設備（１００）を運転する方法であって、前記風力発電設備（１００）が、請求項１７に記載されている方法により求められた前記スラスト力（２２０）に応じて運転される、方法。
【請求項１９】
ウインドファームを運転する方法であって、前記方法が、以下のステップ、すなわち、
−  少なくとも１基の風力発電設備（１００）の乱流を、前記風力発電設備（１００）のローター（１０６）のスラスト力（２２０）に基づいて求めるステップと、
−  前記ウインドファームの別の風力発電設備に対する、前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の前記乱流の影響が減少するように、前記ウインドファームの前記風力発電設備を制御する、ステップと、
を有する、方法。
【請求項２０】
前記ウインドファームの別の風力発電設備に対する、前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の前記乱流の影響が減少するように、前記ウインドファームの前記少なくとも１基の風力発電設備（１００）の出力を低下させる
請求項１９に記載の、方法。
【請求項２１】
タワー（１０２）とローター（１０６）とを有する風力発電設備（１００）において前記ローター（１０６）に作用するスラスト力（２２０）を測定する測定設備であって、
前記タワー（１０２）に作用する曲げモーメントを検出する測定装置と、
前記曲げモーメントから、自然モーメント成分とピッチングモーメント成分とを除いたスラスト力モーメント成分を求め、前記スラスト力モーメント成分に基づいて、前記ロータ（１０６）に作用するスラスト力を求めるスラスト力決定ユニットと、を備えた
測定設備。
【請求項２２】
前記測定装置として、
第１の高さ（Ｈ１）に配置され第１の曲げモーメント（Ｂ１）を検出する第１のセンサと、
第２の高さ（Ｈ２）に配置され第２の曲げモーメント（Ｂ２）を検出する第２のセンサ（Ｈ２）とを備え、
前記スラスト力決定ユニットは、前記第１の曲げモーメント（Ｂ１）と前記第２の曲げモーメント（Ｂ２）との差と、前記第１の高さ（Ｈ１）と前記第２の高さ（Ｈ２）との差と、に基づいて、前記スラスト力を求める
請求項２１の測定設備。
【請求項２３】
請求項２１又は請求項２２に記載の測定設備を有し、前記スラスト力に基づいて出力を制御する、風力発電設備（１００）。
【国際調査報告】
2019527794.tif 000006
2019527794.tif 000007
2019527794.tif 000008
2019527794.tif 000009